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摘要：1955年美国科学家发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现了高频开关电源的开端，随后美国科学家查赛及一些科学家都对该变换器进行改良，终于在1869年做成了25千赫的开关电源，提高了大功率硅晶体管的耐压性，缩短了二极管反向恢复时间。本文将针对高频开关电源在变电直流系统中的一些原理、特性、应用等进行分析。
关键字：高频开关电源；变电直流系统；原理特征；应用分析
高频开关电源，又称开关型整流器SMR，通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100khz范围内，实现了高效率和小型化。近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量已从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。高频开关电源是传统整流器（硅整流器，可控硅整流器）的升级替代产品。高频开关电源以使用方便，体积小，效率高，工作稳定，镀层细致等绝对的优势迅速占领市场。广泛使用于电镀、电解、氧化等表面处理行业，并取得了不错的效果。
当前，我国在电力系统中采用的是直流电源，这就是传统的相控电源向高频开关电源转变的一个现象。高频开关电源整流器的工作原理简单的说就是先将交流电源接入整流模块中，经滤波、三相全波后转为直流，再连接到高频逆变回路，将已变成的直流电再变换为高频交流点，最后通过高频变压器、整流桥、滤波器输出直流电。
1.开关电源的发展趋势
20世纪60年代，应用最多的是线性调节器式直流稳定电源，它存在体积重量大、损耗大、效率低、不易实现隔离等缺点，后来被开关调节器式直流稳定电源取代。1964年，日本在NEO杂志发表了关于电源的文章，指明了开关调节器式直流稳压电源小型化的研究方向，即一是高频化，二是采用脉冲宽度调制技术。随后在1989年，人们已经通过DC/DC转换器，设计出使用于不同场所、满足于不同性能要求和用途的、高性能、高功率密度的各种功率的开关电源。
2.高频开关电源的原理和特征
2.1高频开关电源的系统方框图
简单地讲，高频开关整流器就是想将交流电通过二极管整流、滤波后变成直流电，将直流电经过开关电源变成高频交流电，高频交流电通过高频变压器的隔离，经快速恢复二极管高频整流、电感电容滤波后输出，成为可使用的直流电。
2.2采用高频化有较高技术经济指标
经过调查研究表明，电器产品的体积重量与它所能供应的供电频率的平方根成反比，所以，若我们将频率从工频50Hz提高到15kHz，那么该用电设备的体积重量就需要下降成工频设计的10%左右，对于开关电源变频这一现象给制作企业带来的是明显的效益。
通过这一变频原理，在逆变或整流焊机、通讯电源上都使用上了开关式整流器。当然，在传统的电镀、电解、电加工、电力合闸等直流电源也可以使用该原理对直流电源加以改造，让它更新换代，变成“开关变换类电源”。这一改变使它的材料成本减少了9%以上，降低节能在35%以上。正是因为我国相关的功率电子器件的工作频率一直在提高，这就让一开始采用电子管的企业将其传统的高频设备固态化，这样做的目的一来是带来了节能减材的经济效益，二来更可以体现其技术含量的价值。
2.3设计模块化——将自由组合变为互为备用，提高了安全系数
模块化一方面指的是功率器件的模块化，另一方面指的是电源单元的模块化。实际上，因为频率的不断提高，会使得引线对电感和电容的影响越来越大，会造成器件更大的应力，这里的应力表现为过电压、过电流毛刺。所以为了进一步提高系统的可靠性和稳定性，就需要我们将相关的部分做成模块。
为了让多个独立的模块单元联系起来工作，我们采用均流技术，让所有的模块共同负担负载电流，如果其中某一个或某两个模块失效，则其他模块再将负载电流平均分配，共同分担。这样做的好处一来提高了功率容量，让器件在容量小的情况下还能实现大电流输出；而来增加了模块，提高了系统的可靠性和稳定性，使其在单个模块出现故障时，也不至于影响整个系统的工作，而且为工人修复模块提供了大量的时间。
3.电力智能高频开关整流器与原始直流设备的性能比较
以前，我国的发电厂、水电站、变电站等使用的直流电源设备受到工艺水平和器件性质的限制，大多都是相控电源，使得电源长期处于低技术指标、维护保养困难的状况下。这是因为这些缺点，我国也在对电源设备进行改善，近几年也逐步完成了从原始直流设备向高频直流电源的“蜕变”。那么，高频直流电源跟传统的控制电源相比有那么好处呢？
第一，高频开关电源采用的是N+1模块冗余并联组合方式供电，而相控电源整理器采用的是1+1主从备份方式供电，所谓的N+1就是如果N个模块输出的电流都能够满足电流需要，那么就采用N+1模块进行电流的平均分配，这样就极大地提高了系统的可靠性和稳定性，使其在一两个模块失效时，还能够带电更换，而不影响整个系统的正常工作。
第二，高频开关电源整流模块中安置有微处理器，可以很方便的提高设备管理的水平，当发生故障时，会在尽量完善的前提下，做到接线简单、安装调试快捷。还能在面板上也是出电流电压以及各个模块的运营状况，进行远程监控，实现“四遥”。而传统的相控电源只是在屏柜上装设电流、电压表和其它的专用装置对设备设施操作进行监视，这些测量值不能通过通信口实现远程监视（微机型除外）。有的即使可以遥测，也是采用直流采样的方式，以接点的方式连接到光子牌或者遥信屏，监测各个运行状况的信号。接线繁琐，自动化程度低，实现其遥控和遥调难度太大。
第三，高频开关整流器模块具有自动均流功能，当电压、电流过大时，会采取瞬时保护，能有有效地承受输出短路冲击，防止高频电源对电网的干扰和伤害。同时，高频开关的电源转换效率很高，绝大多数都能达到90%以上，而相控电源最好的也只能达到80%。
同时，高频开关电源还谁有微机绝缘监测装置，能够根据显示母线电压以及正、负母线对绝缘电阻电压的大小及时发出异常警报，显示出发生故障的具体回路是哪个，这对工作人员进行设备的维护维修带来了极大的方便，这也是相控电源做不到的地方。
总结：目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少開关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。本文介绍了高频开关电源的原理特征，与相控电源的比较，希望在不久的将来高频开关电源能代替相控电源，成为直流电源的首选产品。
参考文献：
[1] 苏晓英，朱连成.试探高频开关电源在变电直流系统中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2013（33）：156-161
[2] 周德贤.高频开关电源—新产品发展史[].2011·上海市电机工程学会、上海市电工技术学会第十一届学术年会：1-5
[3] 张克超.高频开关电源在电力系统地优势及应用[J].城市建设理论研究（电子版），2012（36）：57-63
关键字：高频开关电源；变电直流系统；原理特征；应用分析
高频开关电源，又称开关型整流器SMR，通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100khz范围内，实现了高效率和小型化。近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量已从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。高频开关电源是传统整流器（硅整流器，可控硅整流器）的升级替代产品。高频开关电源以使用方便，体积小，效率高，工作稳定，镀层细致等绝对的优势迅速占领市场。广泛使用于电镀、电解、氧化等表面处理行业，并取得了不错的效果。
当前，我国在电力系统中采用的是直流电源，这就是传统的相控电源向高频开关电源转变的一个现象。高频开关电源整流器的工作原理简单的说就是先将交流电源接入整流模块中，经滤波、三相全波后转为直流，再连接到高频逆变回路，将已变成的直流电再变换为高频交流点，最后通过高频变压器、整流桥、滤波器输出直流电。
1.开关电源的发展趋势
20世纪60年代，应用最多的是线性调节器式直流稳定电源，它存在体积重量大、损耗大、效率低、不易实现隔离等缺点，后来被开关调节器式直流稳定电源取代。1964年，日本在NEO杂志发表了关于电源的文章，指明了开关调节器式直流稳压电源小型化的研究方向，即一是高频化，二是采用脉冲宽度调制技术。随后在1989年，人们已经通过DC/DC转换器，设计出使用于不同场所、满足于不同性能要求和用途的、高性能、高功率密度的各种功率的开关电源。
2.高频开关电源的原理和特征
2.1高频开关电源的系统方框图
简单地讲，高频开关整流器就是想将交流电通过二极管整流、滤波后变成直流电，将直流电经过开关电源变成高频交流电，高频交流电通过高频变压器的隔离，经快速恢复二极管高频整流、电感电容滤波后输出，成为可使用的直流电。
2.2采用高频化有较高技术经济指标
经过调查研究表明，电器产品的体积重量与它所能供应的供电频率的平方根成反比，所以，若我们将频率从工频50Hz提高到15kHz，那么该用电设备的体积重量就需要下降成工频设计的10%左右，对于开关电源变频这一现象给制作企业带来的是明显的效益。
通过这一变频原理，在逆变或整流焊机、通讯电源上都使用上了开关式整流器。当然，在传统的电镀、电解、电加工、电力合闸等直流电源也可以使用该原理对直流电源加以改造，让它更新换代，变成“开关变换类电源”。这一改变使它的材料成本减少了9%以上，降低节能在35%以上。正是因为我国相关的功率电子器件的工作频率一直在提高，这就让一开始采用电子管的企业将其传统的高频设备固态化，这样做的目的一来是带来了节能减材的经济效益，二来更可以体现其技术含量的价值。
2.3设计模块化——将自由组合变为互为备用，提高了安全系数
模块化一方面指的是功率器件的模块化，另一方面指的是电源单元的模块化。实际上，因为频率的不断提高，会使得引线对电感和电容的影响越来越大，会造成器件更大的应力，这里的应力表现为过电压、过电流毛刺。所以为了进一步提高系统的可靠性和稳定性，就需要我们将相关的部分做成模块。
为了让多个独立的模块单元联系起来工作，我们采用均流技术，让所有的模块共同负担负载电流，如果其中某一个或某两个模块失效，则其他模块再将负载电流平均分配，共同分担。这样做的好处一来提高了功率容量，让器件在容量小的情况下还能实现大电流输出；而来增加了模块，提高了系统的可靠性和稳定性，使其在单个模块出现故障时，也不至于影响整个系统的工作，而且为工人修复模块提供了大量的时间。
3.电力智能高频开关整流器与原始直流设备的性能比较
以前，我国的发电厂、水电站、变电站等使用的直流电源设备受到工艺水平和器件性质的限制，大多都是相控电源，使得电源长期处于低技术指标、维护保养困难的状况下。这是因为这些缺点，我国也在对电源设备进行改善，近几年也逐步完成了从原始直流设备向高频直流电源的“蜕变”。那么，高频直流电源跟传统的控制电源相比有那么好处呢？
第一，高频开关电源采用的是N+1模块冗余并联组合方式供电，而相控电源整理器采用的是1+1主从备份方式供电，所谓的N+1就是如果N个模块输出的电流都能够满足电流需要，那么就采用N+1模块进行电流的平均分配，这样就极大地提高了系统的可靠性和稳定性，使其在一两个模块失效时，还能够带电更换，而不影响整个系统的正常工作。
第二，高频开关电源整流模块中安置有微处理器，可以很方便的提高设备管理的水平，当发生故障时，会在尽量完善的前提下，做到接线简单、安装调试快捷。还能在面板上也是出电流电压以及各个模块的运营状况，进行远程监控，实现“四遥”。而传统的相控电源只是在屏柜上装设电流、电压表和其它的专用装置对设备设施操作进行监视，这些测量值不能通过通信口实现远程监视（微机型除外）。有的即使可以遥测，也是采用直流采样的方式，以接点的方式连接到光子牌或者遥信屏，监测各个运行状况的信号。接线繁琐，自动化程度低，实现其遥控和遥调难度太大。
第三，高频开关整流器模块具有自动均流功能，当电压、电流过大时，会采取瞬时保护，能有有效地承受输出短路冲击，防止高频电源对电网的干扰和伤害。同时，高频开关的电源转换效率很高，绝大多数都能达到90%以上，而相控电源最好的也只能达到80%。
同时，高频开关电源还谁有微机绝缘监测装置，能够根据显示母线电压以及正、负母线对绝缘电阻电压的大小及时发出异常警报，显示出发生故障的具体回路是哪个，这对工作人员进行设备的维护维修带来了极大的方便，这也是相控电源做不到的地方。
总结：目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少開关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。本文介绍了高频开关电源的原理特征，与相控电源的比较，希望在不久的将来高频开关电源能代替相控电源，成为直流电源的首选产品。
参考文献：
[1] 苏晓英，朱连成.试探高频开关电源在变电直流系统中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2013（33）：156-161
[2] 周德贤.高频开关电源—新产品发展史[].2011·上海市电机工程学会、上海市电工技术学会第十一届学术年会：1-5
[3] 张克超.高频开关电源在电力系统地优势及应用[J].城市建设理论研究（电子版），2012（36）：57-63